基于級聯型PET的光儲并網系統結構研究

宣麗萍，閆姝含，張亞坤

(1.華南師范大學 數據科學與工程學院，廣東 汕尾516600;2.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150028)

0 引 言

由于光照存在間歇性、波動性等問題，導致光伏發電機組功率輸出不均勻，頻率也不具有規律性[1-3]。目前行之有效的做法是將光伏發電技術和儲能技術結合在一起，形成光伏-儲能混合并網發電系統[4]。然而，單一儲能裝置難以滿足平抑功率波動的需求?；旌蟽δ芟到y是一種創新技術，由蓄電池和超級電容器組成，該技術結合蓄電池能量密度高和超級電容器功率密度高等優點，為電網提供高質量、高可靠性的電能[5-7]。

電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)作為光儲并網系統的重要設備，具有高頻電氣隔離、功率潮流多向控制等功能，是傳統工頻變壓器的替代方案，不僅繼承了傳統變壓器的所有功能和優點，還降低了整體系統裝置的體積[8-10]。

文獻[11]提出了一種簡易三級式PET結構，與雙級式PET相比，帶來了更多的可控性和靈活性。然而，受到半導體器件耐壓性能的限制，該結構不適宜中高壓應用場合。文獻[12]提出了一種基于多繞組變壓器的模塊化級聯型PET，該PET利用多繞組變換器進一步升壓，然而多繞組變壓器存在工程設計困難、制作工藝復雜等問題，在工程上不易實現。文獻[13]提出一種基于獨立直流母線的三級式PET，采用級聯H橋變換器(cascaded H-bridge, CHB)提升電壓等級，適合應用于高壓大功率場合。然而，該結構采用各獨立直流母線連接方式，對于輸出電壓的統一控制是不利的，并且三相輸出功率存在不平衡問題。此外CHB直流側電容上存在二次功率波動問題[14]。

為了解決上述結構遇到的問題，提出一種基于級聯型PET的光儲并網發電系統結構。首先，該結構采用公共直流母線匯集連接方式，與基于獨立直流母線的三級式PET相比，該結構將電能均等地傳輸至三相電網，不存在三相相間輸出功率不平衡問題，并且解決了公共直流側二次功率波動問題。其次，隔離級利用CLLC諧振變換器恒增益高變比電壓鉗位的優點，采用單級控制策略代替傳統雙級控制策略，無需模塊電容電壓均衡控制策略，簡化了控制系統。此外，提出一種功率分層協調控制策略，提升系統最大壽命，實現系統的穩定運行。通過設計并搭建1 MW/10 kV光儲并網仿真系統，驗證了所提出結構和控制策略的可行性和有效性。

1 基于PET的光儲并網系統結構

基于級聯型PET光儲并網發電系統結構，如圖1所示，該結構為三級式，分別是中壓級、隔離級和低壓級。低壓級采用Buck/Boost變換器，可靈活控制混合儲能系統工作于充、放電模式[15]。隔離級采用雙向CLLC諧振變換器，減少了能量回流和IGBT關斷電流，具有恒增益高變比電壓鉗位功能。中壓級采用CHB變換器，具有高壓大容量變頻、輸出電壓波形諧波含量小、易于模塊化擴展等優點。

圖1 基于PET的光儲并網系統結構

1.1 雙向CLLC諧振變換器

雙向CLLC諧振變換器拓撲結構如圖2所示，由前級H橋、諧振電感、諧振電容、高頻變壓器(high frequency transformer, HFT)和后級H橋組成，拓撲結構垂直對稱，功率正、反向流動時均可看作為LLC諧振變換器，因此該變換器能夠雙向傳輸功率，且不需要添加多余的緩沖電路，具有結構簡單、造價低廉、易于實現等優點。

圖2中：低壓直流側電壓為Vi；中壓直流側電壓為Vo；低壓直流側電容為C1；中壓直流側電容為C2；HFT一次側電壓和電流分別為v1和i1；HFT二次側電壓和電流分別為v2和i2；HFT變比為k；HFT一、二次側的諧振電感分別為Lr1和Lr2，通過設計HFT的漏感參數，從而將漏感替代為諧振電感，進一步減小雙向CLLC諧振變換器的體積；HFT一、二次側的諧振電容分別為Cr1和Cr2，具有“通交阻直”的功能，一次側H橋開關為Q1～Q4，二次側H橋開關為S1～S4。

圖2 CLLC諧振變換器拓撲結構

雙向CLLC諧振變換器具有恒增益高變比電壓鉗位的功能，在不考慮電路損耗的情況下，其輸入直流電壓和輸出直流電壓公式如下：

(1)

1.2 級聯H橋逆變器

CHB能夠將低壓直流轉變為中壓交流，因此適合應用于中壓并網系統。CHB變換器拓撲結構如圖3所示，其中：Lf為交流濾波電感，可有效降低輸出電流諧波含量；Rs為交流線路等效內阻。H橋單元由4個IGBT開關組成，通過不同的開閉組合，可輸出3種電平電壓，分別為-Vo、0和+Vo。當級聯單元為N時，總輸出電壓能夠得到2N+1個電平的交流電壓波形，這種波形能夠減少輸出交流電流中的諧波分量，減輕濾波器的濾波壓力。

圖3 CHB變換器拓撲結構

由于CLLC諧振變換器具有恒增益高變比的電壓鉗位功能，因此PET無需使用電壓均衡控制策略，CHB的輸入端各直流電壓符合Vo,1=Vo,2=…=Vo,N。因此，CHB總輸出電壓表示為

(2)

式中：vm,j為CHB總輸出電壓；N為H橋級聯單元數量；Mj為CHB占空比信號(j=a，b，c)，各相N個H橋單元公用一個占空比信號。

2 光儲并網系統控制策略

根據上文平均模型，提出了光儲并網系統控制策略，其包括三級并網控制策略和功率分層協調控制策略。

2.1 三級并網控制策略

光儲并網系統是一個耦合性強，具有非線性特性的一種系統，因此對于并網有功功率和無功功率的控制格外困難。采用三級并網控制策略如圖4所示，分為MPPT控制、電壓均衡控制和電流內環解耦控制。Boost變換器實現MPPT控制，利用CLLC諧振變換器的電壓鉗位功能，將傳統雙級控制替換為單級控制策略，無需模塊電容電壓均衡控制。電壓均衡控制和電流內環控制均采用PI控制器。電流內環引入網側電壓電流作為前饋量，實現有功功率和無功功率的解耦控制，從而實現單位功率因數運行。PET端電壓的控制方程為

(3)

圖4 三級并網控制策略

式(3)中：ud、uq分別為PET端電壓直軸、交軸分量；ug,d、ug,q分別為電網電壓直軸、交軸分量；ig,d、ig,q分別為電網電流直軸、交軸分量；ig,d,ref、ig,q,ref分別為參考電網電流直軸、交軸分量；ω為電網電壓角頻率；Lf為濾波電感；kp、ki分別為電流內環PI控制器比例環節增益和積分環節增益。

2.2 功率分層協調控制策略

為了抑制光伏發電產生的功率波動，延長混合儲能系統的最大壽命，提出一種功率分層協調控制策略，其共分為三層：協調管理層、優化分配層和功率控制層，如圖5所示。

圖5 混合儲能系統分層協調控制策略

PHESS=Pref-PPV

(4)

(5)

(6)

對鋰電池進行頻繁充放電會影響其最大壽命，通過優化分配層根據各組鋰電池的SOC值實時確定其充、放電優先級順序，減少鋰電池頻繁充放電現象。功率分配邏輯流程圖如圖6所示。根據各組鋰電池SOC的狀態值決定其工作模式，SOC值大的鋰電池組優先工作于放電模式，SOC值小的鋰電池組優先工作于充電模式，經過限幅后的目標功率分配給各組鋰電池。

圖6 各鋰電池組邏輯流程圖

圖7 Buck-Boost變換器控制框圖

3 仿真驗證

為驗證提出的光儲并網系統結構及其控制策略，在Simulink環境下對系統穩態和暫態模式進行仿真，仿真模型如圖8所示，仿真參數如表1所示。

3.1 穩態結果分析

如表1所示，光伏逆變器HFT變比為1∶2，直流側電壓Vi為1 kV，CHB占空比信號Mj幅值設為0.8，相電壓理論幅值為8 kV，理論有效值為5.66 kV。光伏陣列仿真模型采用的型號是Kyocera KD140GX-LP，使用串聯+并聯連接方式組成光伏陣列以提升輸出直流電壓并提高功率輸出等級。該光伏陣列仿真模型采用共50×148個光伏電池進行串并聯連接。圖8所示為PET結構網側電壓電流的輸出波形，波形質量良好，無明顯波動，驗證了所提光儲并網結構的有效性。

圖8 1 MW光儲并網PET結構網側輸出電壓和電流

表1 1 MW三相PET并網仿真系統參數

總諧波失真率(total barmonic distortion, THD)是并網逆變器的一個重要參數。圖9所示為Simulink仿真得到的PET結構輸出電壓FFT。圖中可以看出，PET的輸出電壓以50 Hz基波分量為主，但在2fi、4fi、6fi附近仍然存在較高的諧波分量，諧波含量隨著頻率的增加而降低。

圖9 PET輸出電壓頻譜分析圖

M為CHB占空比幅值，其取值范圍是0≤M≤1。改變M大小，使其值由0.1到1之間變化，繪制出PET輸出電壓M與THD之間的關系，如圖10所示。隨著M的增大，總諧波畸變率逐漸減小，從而得到良好的輸出波形。

圖10 PET輸出電壓THD與占空比M之間的關系

3.2 暫態結果分析

混合儲能仿真系統由兩組鋰電池和一組超級電容組成。鋰電池額定功率為300 kW，額定容量為375 kW·h，額定電壓為800 V；SOC額定功率為300 kW，容量為8 MJ，額定電壓為800 V。兩組鋰電池的SOC初始值分別為0.6、0.5。圖11所示為光伏陣列某天500 min光照數據壓縮到5 s后的光照曲線圖，該曲線圖模擬了自然光照的不均勻變化。

圖11 光伏陣列輸出功率變化曲線

并網系統在穩態工況下輸入功率恒定在1 MW，當光伏陣列輸出功率出現波動時，混合儲能系統削峰填谷。根據式(4)得出混合儲能系統參考功率曲線如圖12所示。

圖12 混合儲能系統參考功率曲線

功率協調控制策略對混合儲能系統進行控制后，得出兩組鋰電池和超級電容器的實際輸出功率曲線如圖13～15所示。由于第一組鋰電池初始SOC大于第二組鋰電池初始SOC，因此第一組鋰電池應用于放電模式，第二組鋰電池應用于充電模式。

圖13 第一組鋰電池輸出功率曲線

圖14 第二組鋰電池輸出功率曲線

圖15 超級電容器輸出功率曲線

當光伏陣列輸出功率波動較大時，儲能系統可吸收部分功率；當光伏陣列輸出功率較低時，儲能系統可釋放能量補償光伏出力不足。光伏陣列輸出功率經過儲能系統平滑后，輸出功率的波動范圍明顯縮小，如圖16所示，并網輸入有功功率穩定在1 MW，并網輸入無功功率穩定在0 kW。

圖16 經過平滑后并網輸入功率曲線

4 結 語

首先,提出了一種基于級聯型PET的光儲并網發電系統結構，該結構無需模塊電容間的均壓控制，消除了公共直流電容存在的二次功率波動，并能夠保證三相相間功率平衡。其次，提出了三級控制策略和功率分層協調控制策略，提升系統最大壽命，簡化了控制結構。通過設計并搭建1 MW/10 kV光儲并網系統仿真模型，驗證了所提結構和控制策略的可行性和有效性。